НЕТКАНЫЙ МИКРОПОРИСТЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ СЕПАРАТОРОВ ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 2007 года по МПК H01M2/16 

Изобретение относится к материалам, используемым в качестве межэлектродных сепараторов в химических источниках тока и аккумуляторах электрической энергии.

Известны пленочные сепараторы, содержащие эластомеры, выбранные из группы сополимеров акрилонитрила с бутадиен-стиролом, полиэфиров и группы поливинилиденфторида, и его сополимеры, полиметилметакрилат, поливинилхлорид, имеющие пористость 30-95% и диаметр пор 0,1-5 мкм (US 6274276, 14.08.2001).

Однако электросопротивление аккумулятора с такой пористой мембраной оказывается высокой.

Для повышения удельной объемной электрической емкости и снижения электрического сопротивления используются сепараторы, изготовленные из тонких полимерных волокон.

Так, например, известны материалы для сепараторов из волокон полистирола, полиолефина, поликарбоната с диаметром волокна 0,05-20 мкм и средним диаметром пор 0,5-15 мкм (US 4137379, 30.01.1979).

Известен также материал для сепараторов из ультратонких полипропиленовых волокон, где 10% волокон имеют диаметр меньше 1 мкм, а большинство волокон с диаметром, меньше или равным 5 мкм, при этом пористость материала составляет около 90% (US 5962161, 05.10.1999).

Недостатком таких материалов является низкая стойкость к прорастанию дендритов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является волокнистый нетканый материал для сепараторов щелочных аккумуляторов из полиарилсульфона, полученный путем электроформования волокон диаметром 0,6-2 мкм, и характеризующихся диаметром пор 2-3 мкм (RU 95108510 A1, 27.04.1997).

Однако известный материал имеет высокие значения электропроводности.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является также способ получения нетканого волокнистого материала для сепараторов, включающий формование волокон полисульфона и обработку волокна пропиточной композицией, содержащий (мас.%): поверхностно-активное вещество 0,2-1,0; фенилглицин 0,5-1,5; растворитель 97,5-99,3, причем обработку пропиточной композицией проводят при 60-70°С в течение 3-20 мин (RU 1781737, 15.12.1992).

Данный способ малопроизводителен из-за длительной обработки, дорог, а электрическое сопротивление получаемого сепаратора велико.

Задачей настоящего изобретения является разработка микропористого материала для сепараторов щелочных химических источников тока, способных выдерживать большое колличество циклов «заряд-разряд», имеющего высокую щелочевпитываемость, низкое электросопротивление, а также разработка способа получения этого материала.

Поставленная задача решается описываемым нетканым микропористым материалом для сепараторов щелочных аккумуляторов, который выполнен трехслойным: внутренний слой состоит из волокон с диаметром 0,3-3,0 мкм, а наружные слои из волокон с диаметром 4-8 мкм, при этом поверхностная плотность составляет 26-39 г/м². Полученный материал имеет поверхностную плотность 26-34 г/м², сопротивление потоку воздуха не менее 12 Па при скорости потока 1 см/с, диаметр пор не более 6 мкм, щелочевпитываемость не менее 150%, электросопротивление не более 0,05 Ом·см^-1, прочность на разрыв не менее 0,5 кгс.

Поставленная задача решается также описываемым способом получения нетканого материала для сепараторов щелочных аккумуляторов, включающий электроформование тонковолокнистого материала из раствора полисульфона в органическом растворителе, при этом материал изготавливают трехслойным: внутренний слой из волокон с диаметром 0,3-3,0 мкм, а наружные слои из проклеенных между собой волокон диаметром 4-8 мкм, прессование осуществляют до толщины материала 40-60 мкм, с последующим прессованием этого материала под давлением и пропиткой поверхностно-активным веществом.

Как правило, электроформование ведут из раствора полисульфона в растворителе, выбранном из ряда: дихлорэтан, этилацетат, бутилацетат, циклогексанон или их смеси в количестве до 90%.

Предпочтительно прессование проводят под давлением проводят 200-400 кг/см² при температуре 20-25°С до толщины материала 40-60 мкм.

Ниже приведены примеры получения заявленного материала и его характеристики.

Пример

Приготавливают 13% раствор полисульфона в дихлорэтане с добавкой 1% циклогексанона.

Полученный прядильный раствор подают к капиллярам различного гидродинамического сопротивления установки электроформования волокон и ведут процесс со следующим параметрам:

разность потенциалов120 кВрасстояние между электродами30 смобъемный расход на один капилляр3·10^-3 см³/с

Из волокон диаметром 0,9-1,1 мкм формируют внутренний слой с поверхностной плотностью 10 г/см². Из волокон диаметром 4,0-5,0 мкм формируют проклеенные слои с поверхностной плотностью 9 г/см². При этом общая поверхностаная плотность материала составляет 28 г/см².

Затем материал прессуют под давлением 250 кг/см² при температуре 25°С до толщины 50 мкм и смачивают водным раствором поверхностно-активного вещества ОП-10 с концентрацией 5 г/л с последующей сушкой при нормальной температуре.

Полученный сепарационный материал типа ФПСФ-6С имеет следующие характеристики:

диаметр пор5 мкмщелочевпитываемость155%электросопротивление0,045 Ом·см²разрывная нагрузка0,6 кгс

Аналогично представленному выше примеру получены материалы во всем интервале заявленных параметров.

Использование полученных сепарационных материалов в щелочных аккумуляторах обеспечивает до 1000 циклов «заряд-разряд» до замыкания. Имеют щелочевпитываемость в 2 раза выше, а электросопротивление в 2,5 раза ниже, чем у прототипа.

Изобретение относится к материалам, используемым в качестве межэлектродных сепараторов в химических источниках тока и аккумуляторах электрической энергии. Предложен нетканый микропористый материал для сепараторов щелочных химических источников тока из ультратонкого полисульфонового волокна с диаметром пор не более 6 мкм и поверхностной плотностью 26-39 г/м². Описан способ получения такого материала путем электроформования ультратонких полисульфоновых волокон, их прессования с последующей обработкой поверхностно-активным веществом. Техническим результатом изобретения является получение материала с высокой влаго- и щелочевпитываемостью, с низким электросопротивлением и высокой химической стойкостью. 2 н. и 2 з.п. ф-лы.

1. Нетканый микропористый материал для сепараторов щелочных химических источников тока, выполненный из ультратонкого полисульфонового волокна, отличающийся тем, что он содержит три слоя, при этом внутренний слой образован из волокон диаметром 0,3-3 мкм, наружные слои из проклеенных между собой волокон диаметром 4-8 мкм, при этом он имеет диаметр пор не более 6 мкм и поверхностную плотность 26-39 г/м².2. Нетканый материал по п.1, отличающийся тем, что он имеет щелочевпитываемость не менее 150%, электросопротивление не более 0,05 Ом·см².3. Способ получения нетканого микропористого материала для сепараторов щелочных химических источников тока из полисульфоновых волокон путем обработки волокнистого полимерного материала пропиточным поверхностно-активным материалом, отличающийся тем, что электроформование ультратонких волокон ведут из раствора полисульфона в органическом растворителе, материал изготавливают трехслойным, где внутренний слой образован из волокон с диаметром 0,3-3,0 мкм, наружные слои из проклеенных между собой волокон диаметром 4-8 мкм, после чего материал прессуют до толщины 40-60 мкм и осуществляют его пропитку.4. Способ по п.3, отличающийся тем, что формование ведут из раствора полисульфона в органическом растворителе, выбранном из ряда: дихлорэтан, этилацетат, бутилацетат, циклогексанон или их смеси.